嫁接（grafting）成活的關鍵：β-1,4-葡聚醣酶（β-1,4-glucanases）

嫁接後開兩種不同花色的樹木。圖片來源：維基百科

嫁接（grafting）是把一種植物的莖段（稱為接穗，scion）接到另一種植物（稱為砧木，stock）的一種農業技術。歷史上嫁接的出現甚為古老，大約在聖經時代，歐洲便已經發展出嫁接的技術；在中國，雖然最早提到嫁接技術的書籍是六世紀的農業百科全書《齊民要術》，但在書中提到另一本已經亡佚的書，顯示該技術的發展在多年前（可能在公元前兩千年）已在中國出現。

一般來說，接穗與砧木之間的親緣關係愈近（最好是同科），嫁接愈容易成活。過去的研究發現，嫁接後短期間接面均會出現一層「壞死層」（necrotic layer），但成功的嫁接壞死層非常薄，目視不容易發現。失敗的嫁接則會有壞死層明顯、顯微鏡下觀察看到細胞壁折疊的現象等。

雖然嫁接這種技術已經相當古老，但嫁接後究竟接面發生了什麼樣的分子事件？哪些（哪個）基因對嫁接最重要？這些問題並沒有被解答出來。因此，來自日本的研究團隊針對這部分進行了深入的研究。

他們選擇了煙草屬的植物圓葉煙草（Nicotiana benthamiana）。圓葉煙草是煙草（N. tabacum）的近親，為茄科的植物。在先期的實驗裡，研究團隊發現用圓葉煙草進行跨科嫁接很容易成功：以圓葉煙草為接穗，接到菊科的菊花（Chrysanthemum morifolium）上，可以成功的開花結子，但是把豆科的大豆（Glycine max）嫁接到菊花上，大豆的接穗很快就死了。深入觀察發現，「壞死層」在大豆/菊花（接穗/砧木）的介面上很快就出現，且目視就可以觀察到；相對的，圓葉煙草/菊花、菊花/菊花的介面上，只在嫁接後兩週微微出現壞死層的跡象。

接著研究團隊進一步測試煙草到底有多容易嫁接成功。研究團隊測試了七種不同的煙草與四十二科共八十四種被子植物，發現煙草屬的植物，不論是作為砧木或接穗，在三十八科七十三種植物中都可以嫁接成功，裡面還包括了五種單子葉植物。

到底嫁接後發生了什麼分子事件呢？研究團隊接著以圓葉煙草/擬南芥的組合進行進一步的研究。擬南芥（Arabidopsis thaliana）是十字花科的植物，所以與煙草的組合也是跨科嫁接。研究團隊分析了從嫁接後兩小時到二十八天之間，嫁接面的轉錄體（transcriptome）。將圓葉煙草/擬南芥的組合與圓葉煙草/圓葉煙草的組合所產生的轉錄體相比較，研究團隊發現受到影響的基因包括了生長素（auxin）作用、受傷反應、形成層與維管束發育的基因，其中早期表現的共有189個，主要集中在細胞外的區域、細胞壁、以及質外體（apoplast），包括了修飾及重建細胞壁的酵素們（如β-1,4-葡聚醣酶[β-1,4-glucanase]，β-1,3-葡聚醣酶[β-1,3-glucanase]，木葡聚醣水解酶[xyloglucan hydrolase]和彈性蛋白 [expansin]）。

接著研究團隊再把這189個基因中，於大豆/擬南芥嫁接組合中有表現的剔除，得到了79個基因，其中還是有相當多與細胞外的區域以及細胞壁相關。其中有一個基因，NbGH9B3，它是一個GH9B家族的β-1,4-葡聚醣酶，在嫁接後一天表現量就上升，嫁接後三天表現量更高，但在大豆/擬南芥的組合中卻看不到這個現象。進一步使用基因沉默與CRISPR基因編輯使NbGH9B3基因表現量下降或無法表現，都使得圓葉煙草/擬南芥嫁接失敗率大增。進一步測試在大豆/擬南芥、牽牛花/擬南芥的嫁接組合均發現，GH9B家族的β-1,4-葡聚醣酶在嫁接後一天均有表現量上升的現象。

這些實驗證明了GH9B家族的β-1,4-葡聚醣酶對嫁接能否成功有非常重要的影響。到底這個酵素是如何影響到嫁接的成功，還需要進一步的研究；而是否還有其他的基因也對嫁接的成功率有影響？讓我們期待這個研究團隊未來的發表吧！

參考文獻：

Science 07 Aug 2020: Vol. 369, Issue 6504, pp. 698-702 DOI: 10.1126/science.abc3710